Экзопланета K2-18b, которая обладает массой 8 масс Земли, была открыта космической обсерваторией Kepler в 2015 году. Она располагается примерно в 124 световых годах от Земли в созвездии Льва, в обитаемой зоне красного карлика K2-18. Экзопланета имеет атмосферу, в которой, как теперь известно, содержится водяной пар.
Наблюдения при помощи космических и наземных обсерваторий показали, что вода — второе наиболее распространённое вещество в атмосферах газовых внесолнечных планет после водорода. Вода — это основной молекулярный носитель кислорода и индикатор эволюции планеты. Для планет земного типа присутствие воды в жидком состоянии имеет большое значение как показателя пригодных для жизни условий. Но эти экзопланеты и их атмосферы — наиболее сложные объекты для наблюдения из-за своего небольшого размера и холодной температуры по сравнению с родительской звездой. Поэтому содержание воды в их атмосферах до сих пор не было установлено. Те из них, которые обращаются вокруг старых и относительно холодных звёзд, подходят для наблюдений во время прохождения по диску родительской звезды и дают возможность узнать их характеристики.
Учёные из Университетского колледжа Лондона (University College London, UCL) взяли архивные данные за 2016 и 2017 годы, которые были получены космическим телескопом Hubble, и применили математические методы для анализа звёздного света, прошедшего через атмосферу экзопланеты K2-18b. Результаты показали наличие водяного пара. Это также указывает на присутствие в атмосфере водорода и гелия.
В исследовании были проанализированы данные о восьми прохождениях K2-18 b по диску её родительской звезды. Учёные получили их с помощью камеры WFC3, которая установлена на борту космического телескопа Hubble. Обработка данных сопровождалась анализом самого большого каталога экзопланетных спектров, сделанных WFC3. Для получения более полной картины учёные извлекли данные о блеске звезды и о прохождении звёздного света через атмосферу планеты K2-18b и объединили их. Затем изучили и интерпретировали спектр атмосферы планеты. В результате K2-18b стала первой экзопланетой в диапазоне 1 – 10 масс Земли с наблюдаемой атмосферой, которая находится в обитаемой зоне.
Следующий шаг — компьютерное моделирование атмосферы K2-18b с полученными данными. На начальном этапе атмосфера была смоделирована со всеми потенциальными примесями — водой, окисью углерода (CO), двуокисью углерода (CO2), метаном (CH4) и аммиаком (NH3). Учёные обнаружили, что только водяной пар подтверждается с высокой достоверностью, поэтому продолжили анализ, используя его в качестве примеси. Атмосфера была смоделирована заново в трёх различных вариантах: 1) безоблачная, содержащая водяной пар и комбинацию газов гелий-водород; 2) безоблачная, содержащая водяной пар, гелий-водород и азот (молекулы азота не обнаруживаются камерой WFC3, но влияют на среднюю молекулярную массу); 3) облачная атмосфера, содержащая водяной пар и гелий-водород. Присутствие водяного пара в атмосфере K2-18b снова было подтверждено во всех моделях с высокой статистической значимостью.
Но дать количественную оценку водяного пара в атмосфере K2-18b не удалось. Для модели с водяным паром, гелием и водородом содержание водяного пара составило от 20% до 50%. В двух других случаях содержание колебалось от 0,01% до 12,5%. Учёные не исключают присутствие примесей таких газов, как метан и аммиак, хотя они не были обнаружены в ходе текущих наблюдений. Ограниченные возможности камеры WFC3 не позволили выявить другие молекулы. Именно широкоугольная камера WFC3 космического телескопа Hubble в настоящее время активно используется для наблюдения атмосфер суперземель.
Наблюдения за шестью экзопланетами, которые обращаются вокруг ультрахолодного карлика TRAPPIST-1 (планеты b, c, d, e, f и g) исключили присутствие гелия-водорода в их атмосферах. Возможно, там могут присутствовать другие молекулы, в том числе азот и метан. Но, с учётом текущих возможностей, они остаются необнаружимыми. Для оценки облачности и точного процентного содержания воды в атмосфере K2-18b учёным потребуются дополнительные исследования.
K2-18b остаётся одной из самых интересных целей для дальнейшего изучения атмосферы будущими обсерваториями, такими как космический телескоп James Webb и космический телескоп ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Exoplanet Large-survey) Европейского Космического Агентства. Более широкие возможности этих телескопов помогут получить информацию о составе атмосферы, температуре и атмосферном давлении на экзопланете для изучения климата и её потенциальной обитаемости.
«В течение ближайших десятилетий будет найдено много экзопланет подобного типа. Вполне вероятно, что это было первое подобное открытие. Во-первых, потому что такие возможные суперземли, как K2-18b, распространены в нашей Галактике, а во-вторых, потому что красные карлики — часто встречающиеся звёзды», — говорит соавтор работы доктор Инго Уолдманн (Ingo Waldmann).
Обнаружение других экзопланет, которые могли бы иметь пригодные для жизни условия — своего рода «святой Грааль» астрономических исследований. Хотя вопрос о способности красных карликов давать достаточно света для потенциально обитаемых экзопланет остаётся дискуссионным. Данные о K2-18b предоставили возможность получить представление о составе и климате планеты в обитаемой зоне. K2-18b — не «Земля 2.0», так как она значительно тяжелее и имеет другой состав атмосферы. Однако это приближает нас к ответу на фундаментальный вопрос: уникальна ли Земля?
Источник: nature.com
Перевод: Black Sahara
Российский астрофизик Борис Штерн так прокомментировал открытие:
«По поводу воды в атмосфере K2-18b. Новость очень нашумела — народ уже интересуется, как туда долететь (34 парсека). Долететь нельзя, но то, что народ интересуется — хорошо.
С одной стороны, заключение основано на не очень убедительной картинке (снизу). Авторы дают статистическую значимость 3.6 сигма, хотя на мой взгляд старого скептика, там и 2.5 сигма не наберётся. Процедура оценки значимости у них совершенно непрозрачна.
С другой стороны, результат правдоподобен: планета большая (масса 8 земных), средняя плотность маленькая (3.3) — вполне вероятна толстая атмосфера и обилие воды, которое родительскому красному карлику вымести не по зубам. Спектр получен Hubble, ждем запуска JWST».
